不同海拔高电脑机箱温度场、流场计算分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)长春理工大学机电工程学院 作者:黄延平

  为确保电脑等电器设备稳定运行,热设计是一项很重要的工作。不同海拔高度空气的密度、压力等性能下降很多,空气这些性能的改变对电脑温度场影响很大。为了能够准确的计算分析不同海拔高度地区电脑机箱温度场问题,对风机的性能曲线变化进行了分析研究,对建立在海平面上的主要传热数学模型进行了修正,使不同海拔高度温度场计算更为接近实际情况,为电脑等电器设备温度场分析设计提供了理论依据。

  为了使电脑等电器设备在设计的温度下稳定运行,控制工作温度不超过设计标准是关键。电脑等电器散热主要是依靠排风扇散热,其主要散热形式是对流传导。不同的海拔高度空气的密度、空气的压力、温度、空气粘度等性能会发生很大的变化,海拔越高空气越稀薄,越接近真空状态。这些性能的改变会对流传热有很大的影响。这就需要建立起海拔高度和电器温升之间的关系,准确分析计算电脑等电器设备在不同海拔高度的温度场,研究不同海拔高度传热特性,针对不同海拔高度合理进行热设计,控制电脑等电器设备的温升,确保其运行安全稳定。

  多年来,关于电器、手机和电脑等温度场的热计方法有很多,其中数值计算方法可靠精度高。国内外的专家学者采用数值计算方法都是针对在海平面和低海拔地区进行的,然而我国的实际情况是水电、风电、石油、煤炭等资源都在高海拔地区,随着西部能源建设的需要,国内对海拔高度对电气设备温升的影响制定了标准,但是相对高海拔地区传热研究文献较少。通常的情况下,测算高海拔电子芯片等电子设备温升是使用温升修正系数,这种办法误差约在20%以上,精度达不到要求。

  我国是属于以高原为主的国家,国土面积有三分之二是1000 m 以上的高原,研究高海拔地区电脑等电器设备温度场、流场等散热能力很现实意义。本文以一台在高海拔地区运行的电脑机箱为研究对象,根据电器设备传热理论与高海拔气体流动特点,对茹卡乌斯数学模型和Chilton-colburn 等典型传热模型进行了修正,通过对雷诺数和传热系数等热力学参数进行了完善,建立电脑机箱三维流体场与温度场耦合求解的数学模型与物理模型。在此基础上,结合电脑在平原地区的实验值和海拔高度对电脑温升的影响,建立了高海拔地区电器传热计算理论,对电脑在海平面和海拔4 km 两种海拔高度运行时的温升进行了实际计算,并将计算值和ANSYS14.0 仿真结果进行对比分析,证明了修正后的数学模型是准确实用性。为高海拔地区电器的热设计提供理论计算依据和参考。

  1、实验模型和边界条件

  1.1、实验模型

  由6个零件组成的分析实验模型,如图1 所示该模型属于系统级( 电脑机箱、机柜等) 电子封装。电脑等电器散热的方法主要有两种形式,一是加装排风扇对发热电子元件进行强制对流散热;二是使用散热器和IC 芯片等发热量较大的电子器件相连接,以传导方式进行散热。模型中铝制散热器散热翅片Z 方向和X 方向都是6组,翅片形状为圆形,直径(D) 为20mm,散热翅片采用顺排方式。横向间距(St) 为30mm,纵向间距(Sl) 为60 mm。PCB板的厚度是12mm,材料为FR-4,导热系数是0.35W/m·K。铝制散热器的导热系数是205W/m·K。对流风扇转速恒定,风扇的特性曲线是非线性的,风扇的体积流量由自定义的曲线来确定,随海拔高度的变化,空气的压力、密度等空气性质发生变化,该特性曲线也随之发生变化。该系统级模型还有一个用于散热的百叶窗,这里设定其打开率为50%。在散热器下面有一个500W 的电子芯片热源。该机箱为封闭状态。

表1 不同海拔高度空气性能

不同海拔高度空气性能

不同海拔高电脑机箱温度场、流场计算分析

图1 仿真模型示意图

  1.2、边界条件

  实验模型的基本尺寸和翅片形状、翅片的排列方式都确定下来了,这是分析计算温度场的基础。对该模型传热分析假设为稳态条件,热辐射忽略。传热介质(空气) 性质如表1 所示。表中空气的密度、空气压力和空气的粘度等参数作为机箱热温度场分析计算的边界条件。从表中可以看出,不同海拔高度空气性能变化很大,如海拔4000 m 时,空气分子的密度仅仅是海平面的66.8%;大气压力是海平面的60%,运动粘度也大大的降低,传热介质这些参数对以对流散热的电子产品来说有很大影响。所以,对不同海拔热传计算时,一定要考虑这些变化,这样确定的边界条件才真的接近实际数据,温度场分析计算的结果才准确。

  如图1 的系统模型所示,在各元器件功率不变、各尺寸不变的情况下,分别在海平面和海拔高度在4000 m 两种情况,进行热分析计算,分别采用理论计算和仿真实验对比。

  图2 所示是在海平面上的风扇工作的特性曲线。海拔高度越高,空气压力越小,空气密度降低,风扇的工作特性曲线也发生变化。高海拔散热风扇通常有两种,一种是高度补偿型的,这种型式的风扇通常在航空器上使用。另一种是转速恒定型的,是电器设备上常使用的。

不同海拔高电脑机箱温度场、流场计算分析

图2 风扇风流特性曲线(海平面)

  4、结论

  分析了不同海拔高度流场传热特点,通过引入海拔高度参数,对不同海拔高度空气密度等性能进行了修正,对雷诺系数等传热参数进行了修正,对典型的对流传导公式进行了修正,最后建立起来了不同海拔高度电脑机箱流场、温度场计算模型。根据所建实验模型的尺寸和特点,应用了本文提出的传热数学模型进行了分析计算,并在相同边界条件下,进行了仿真对比研究,其结论如下:

  (1) 使用本文提出的不同海拔高度传热计算数学模型合理正确,进行电脑等电器热设计时可以实现参数化温度场分析计算。

  (2) 较为详细的分析研究了不同海拔高度空气的密度、空气的运动粘度、环境温度等参数对电脑等电器设备散热的影响。对电脑等电器设备热设计时一定要考虑海拔高的影响,才能保证电器设备运行时,工作温度不超过设计标准,实现电器设备的稳定运行。

  (3) 使用修正了的传热计算数学模型,提高了电脑等电器设备高海拔高度环境下运行时的温升的计算精度。

  (4) 高海拔地区空气压力、空气密度等下降,风扇的特性曲线变化很大,风扇散热能力降低,高海拔地区电器运行温度比海平面运行温度高很多,在电器热设计时,一定要考虑这一因素。

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